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Merging Platinum Single Atoms to Achieve Ultrahigh Mass Activity and Low Hydrogen Production Cost

纳米团簇 过电位 催化作用 制氢 铂金 活动站点 氢原子 化学 材料科学 化学物理 纳米技术 物理化学 电化学 有机化学 电极 烷基
作者
Feng Li,Do Hyung Kweon,Gao‐Feng Han,Hyuk‐Jun Noh,Wei Che,Ishfaq Ahmad,Hu Young Jeong,Zhengping Fu,Yalin Lu,Jong‐Beom Baek
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (3): 2923-2931 被引量:17
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c11338
摘要

Single atom catalysts (SACs) with isolated active sites exhibit the highest reported mass activity for hydrogen evolution catalysis, which is crucial for practical applications. Here, we demonstrate that ultrahigh mass activity can also be achieved by rationally merging the isolated platinum (Pt) active sites in SAC. The catalyst was obtained by the thermodynamically driven diffusing and merging phosphorus-doped carbon (PC) supported Pt single atoms (Pt1@PC) into Pt nanoclusters (PtM@PC). X-ray absorption spectroscopy analysis revealed that the merged nanoclusters exhibit much stronger interactions with the support than the traditional method, enabling more efficient electron transfer. The optimized PtM@PC exhibited an order of magnitude higher mass activity (12.7 A mgPt-1) than Pt1@PC (0.9 A mgPt-1) at an overpotential of 10 mV in acidic media, which is the highest record to date, far exceeding reports for other outstanding SACs. Theoretical study revealed that the collective active sites in PtM@PC exhibit both favorable hydrogen binding energy and fast reaction kinetics, leading to the significantly enhanced mass activity. Despite its low Pt content (2.2 wt %), a low hydrogen production cost of ∼3 USD kg-1 was finally achieved in the full-water splitting at a laboratory scale.
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